Der Chemielehrplan der Jahrgangsstufe 9 (SG, WSG, MuG)

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1 Der Chemielehrplan der Jahrgangsstufe 9 (SG, WSG, MuG)

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3 1 Liebe Kolleginnen und Kollegen, dieses Skript soll an die Skripte zu den Chemielehrplänen der Jahrgangstufen der vergangenen drei Jahre anknüpfen und in analoger Weise Ideen und Impulse geben, wie der Chemielehrplan für die Jahrgangsstufe 9 (SG, MuG, WSG) umgesetzt werden kann. Wir würden uns freuen, wenn wir Ihnen dadurch die Neuausrichtung des Unterrichts am Gymnasium erleichtern. Dieses Skript schlägt Wege durch den Chemie-Unterricht der Jahrgangsstufe 9 vor. An den Stellen, an denen aus didaktischer Sicht unterschiedliche, von der Reihenfolge im Lehrplan abweichende Reihenfolgen möglich sind, werden die Alternativen angegeben. Das Skript enthält Vorschläge für Stoffverteilungspläne 2. In der Rubrik Überlegungen zur Umsetzung des Lehrplans haben wir Vorschläge und Hinweise zusammengestellt, die die Anknüpfung der Inhalte an den Unterricht der vorausgegangenen Jahrgangsstufen (z. B. in Natur und Technik) zeigen, die Angaben im Lehrplan zu den Fachinhalten präzisieren, das im Unterricht und in Prüfungen angestrebte Niveau aufzeigen, auf geeignete Themen zum Aufgreifen der Basiskonzepte und der Kompetenzbereiche Kommunikation, Erkenntnisgewinnung und Bewertung hinweisen und weiterführende Literatur und Materialien nennen 3. Es sind nicht zu jedem Lehrplanunterpunkt jeweils alle Aspekte aufgeführt, sondern nur die, die uns bei der Vorbereitung als besonders relevant erschienen. In der Rubrik Vorschläge für Experimente finden Sie jeweils eine Liste mit Experimenten. Die meisten davon sind in dem Akademiebericht Nr. 475 Chemie? Aber sicher! veröffentlicht. Im Schuljahr 2011/12 wurde jedem Gymnasium ein Exemplar dieser Veröffentlichung zugeschickt. Beim Experimentieren sind stets die Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht an den Schulen in Bayern in der jeweils geltenden Fassung zu beachten 4. Mit diesem Skript vervollständigen wir eine Sequenz, die den Chemieunterricht aus dem Blickwinkel der Schülerinnen und Schüler am nicht-naturwissenschaftlichen Gymnasium von der Mittelstufe bis zur Abiturprüfung betrachtet. Deswegen wird stets das Augenmerk auf die zentralen Inhalte gelegt, die auf jeden Fall im Unterricht aufgegriffen werden sollen. In den Stoffverteilungsplänen ist auch ausreichend Zeit zum Wiederholen und Üben eingeplant. Selbstverständlich ist, wenn die Zeit dafür zur Verfügung steht, auch eine tiefere Behandlung mancher Themen möglich. Wir hoffen, dass wir Ihnen mit diesem Skript an der einen oder anderen Stelle einen neuen Blickwinkel auf bekannte Unterrichtsinhalte zeigen können, und wünschen Ihnen zahlreiche interessante Unterrichtsstunden mit Ihren Schülerinnen und Schülern. Petra Reinold, ISB München Birger Pistohl, Comenius-Gymnasium Deggendorf Wolfgang Schwarz, Gymnasium Neutraubling Markus Zimmermann, Gabriel-von-Seidl-Gymnasium Bad Tölz 1 Die Skripte stehen als Download unter zur Verfügung und sind auch in die Link-Ebene des Lehrplans ( eingepflegt. 2 Die Stoffverteilungspläne besitzen Vorschlagscharakter. Die Stundenverteilung weicht geringförmig von der im Lehrplan vorgeschlagenen ab. 3 Die angegebenen Links funktionieren zum Zeitpunkt der Veröffentlichung. Darüber hinaus kann keine Garantie für die Links übernommen werden. 4 online unter:

4 C 9.1 Stoffe und Reaktionen 2 C 9.1 Stoffe und Reaktionen Stoffverteilungsplan 5 Lehrplan Stundenthema Stoffgemische, Reinstoffe Teilchenmodell, Aggregatzustände, Übergänge Stoffeigenschaften, Kenneigenschaften, Stoffgemisch und Reinstoff Stoffgemisch-Typen, Trennverfahren 7 Energieumwandlung, chemische Reaktion 8 chemische Verbindung, chemisches Element, Auftreten unterschiedlicher Analyse Energieformen, Erhaltung der Energie 9 Synthese 10 exotherme Reaktion 11 Reaktionsenergie als Änderung der inneren Energie, Aktivierung chemischer endotherme Reaktion Reaktionen, Katalyse 12 Aktivierungsenergie, Katalyse 13 Gesetzmäßigkeiten bei chem. Reaktion 14 Atommodell von Dalton 15 Formelsprache, Atomartensymbole chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen, chemische Symbol- und Formelsprache Volumenverhältnisse bei Gasen, Molekülformel Aufstellen von Reaktionsgleichungen mit Molekülreaktionen 5 Der Unterpunkt Atome, Moleküle und Ionen als Bausteine der Reinstoffe ist im Skript auf verschiedene Kapitel verteilt.

5 C 9.1 Stoffe und Reaktionen 3 Stoffgemische, Reinstoffe Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 NT 5.1.2: Sie gewinnen eine einfache Vorstellung davon, dass Stoffe aus Teilchen (Atome, Moleküle) zusammengesetzt sind, welche mithilfe einfacher Modelle veranschaulicht und zur Erklärung von chemischen und physikalischen Phänomenen eingesetzt werden. NT 6.1.1: Dort, wo zum Verständnis Stoffwechselbetrachtungen notwendig sind, greifen die Schüler auf die in der Jahrgangsstufe 5 erworbenen Modellvorstellungen zu Stoff- und Energieumwandlung und ein einfaches Teilchenkonzept zurück. Ph 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre: Aufbau der Materie, innere Energie Wiederholung Teilchenmodell: Erklärung von Phänomenen der Stoffebene auf der Teilchenebene, z. B. Volumenvergrößerung beim Erwärmen eines Luftballons Erklärung von Aggregatzuständen und den Übergängen auf der Teilchenebene am Beispiel Wasser: Wassermolekül fest (s) flüssig (l) gasförmig (g) Bei Darstellung von Teilchen darauf achten, keine Kugeln zu verwenden (Konflikt mit Dalton), sondern Dreiecke, Vierecke, etc. Überblick über Stoffeigenschaften: Siedetemperatur ϑ b in C, Schmelztemperatur ϑ m in C, Dichte (möglicherweise nicht aus NT oder Physik bekannt) und Löslichkeit als Möglichkeiten zur Unterscheidung von Reinstoffen und Gemischen; Betonung der Kenneigenschaften als objektive Reinstoffeigenschaften Der Fokus soll auf dem Unterschied zwischen Reinstoff und Gemisch liegen: Ein Reinstoff hat definierte Stoffeigenschaften, ein Gemisch nicht. Übersicht über homogene und heterogene Gemische: Suspension, Emulsion, Rauch, Nebel, Lösung, Legierung, Gemenge ( Geographie); jeweils Stoff- und Teilchenebene Trennverfahren: nur exemplarisch, z. B. Destillation Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Stoff-Teilchen-Konzept: Beobachtungen auf der Stoffebene können nur auf der Teilchenebene erklärt werden. Somit ist eine saubere Differenzierung zwischen Stoff- und Teilchenebene unerlässlich. Erstellen von einfachen Versuchsprotokollen (Erkenntnisgewinnung, Kommunikation) Hinweise auf Materialien und Literatur Methodenwerkzeug aus Akademiebericht Nr. 395 Offene Lernformen im Chemieunterricht : Zuordnung: Memory - Stoffgemische/Teilchen (S. 249 ff.)

6 Vorschläge für Experimente C 9.1 Stoffe und Reaktionen 4 Luft ist nicht Nichts : Wasser wird über einen Trichter in eine abgedichtete Flasche gefüllt. (S) Flüssiggas (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05) Verflüssigen von Butangas durch Druckerhöhung oder Abkühlung (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05) Destillation mit Ampullenflaschen (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05) (S) Bestimmung der Dichte eines Bleistiftspitzers (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05) (S) Ermittlung der Schmelz- und Erstarrungstemperatur (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05) (S) chemische Verbindung, chemisches Element Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 NT 5.1.2: An einigen Beispielen werden die Schüler mit einem propädeutischen Energiebegriff vertraut, indem sie erfahren, dass Vorgänge in der Natur und der Technik mit Energiewandel verbunden sind. NT 6.1.1: Dort, wo zum Verständnis Stoffwechselbetrachtungen notwendig sind, greifen die Schüler auf die in der Jahrgangsstufe 5 erworbenen Modellvorstellungen zu Stoff- und Energieumwandlung und ein einfaches Teilchenkonzept zurück. Ph 8.1 Die Energie als Erhaltungsgröße: Überblick über verschiedene Energiearten - Prinzip der Energieerhaltung Energieformen (Strahlungsenergie, elektrische Energie, Höhenenergie, kinetische Energie, chemische Energie) und Energieumwandlung (z. B. elektrische Energie in thermische Energie und Strahlungsenergie in einer Glühbirne, chemische Energie in thermische Energie sowie kinetische Energie bei Tieren) Unterscheidung physikalischer Vorgang - chemische Reaktion, z. B. Glühbirnenexperiment: chemische Reaktion als Stoffumwandlung unter Energiebeteiligung Analyse: Zerlegen eines Reinstoffes (z. B. Elektrolyse von Wasser oder Thermolyse von Diiodpentaoxid), Formulierung des dazugehörigen Reaktionsschemas (Wortgleichung, nur Betrachtung auf der Stoffebene) und Betrachtung der Edukt- und Produkteigenschaften (z. B. Glimmspan- und Knallgasprobe) Synthese eines Reinstoffes (z. B. Verbrennen eines Magnesiumbandes, Synthese von Eisensulfid oder Zinksulfid), Formulierung des dazugehörigen Reaktionsschemas (s. o.) und Betrachtung der Edukt- und Produkteigenschaften Vorschläge für Experimente Brennende Glühbirne (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06), Bezugsquellen für 25-Watt-Glühbirnenim Online-Handel Analyse von Diiodpentaoxid (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Eisensulfidsynthese (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Elektrolyse von Wasser (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Synthese von Zinksulfid (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 05)

7 C 9.1 Stoffe und Reaktionen 5 Reaktionsenergie, Aktivierung chemischer Reaktionen, Katalyse Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 Ph 8.1 Die Energie als Erhaltungsgröße: Überblick über verschiedene Energiearten - Prinzip der Energieerhaltung Ph 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre: innere Energie Reaktionsenergie E Hinweis: Die Reaktionsenergie E beschreibt die Änderung der inneren Energie des Systems bei Ablauf der chemischen Reaktion. Sämtliche möglicherweise beteiligte Energieformen wie Licht, Wärme, Arbeit sind eingeschlossen. Nicht so bei Betrachtung von H: Bei der Enthalpieänderung wird nur der Wärmeteil Q von der Änderung der inneren Energie U betrachtet. Da die Streuung der Literaturwerte von H zum Teil größer ist als die Unterschiede zwischen H und E derselben Reaktion, wird empfohlen, in der Schule nur noch von E zu sprechen. Die Begriffe exotherm und endotherm gelten dann nicht nur für den Wärmeumsatz, sondern schließen alle Energieformen mit ein. Teilweise verwenden Physiklehrkräfte andere Begriffe und Schreibweisen für die Reaktionsenergie. Eine Absprache zwischen den Fachschaften bietet sich daher an. Aufgreifen der Versuche zur Analyse und Synthese, um die Begriffe exo- und endotherm einzuführen; Darstellung mit einem einfachen Schema: Als erstes Beispiel für eine endotherme Reaktion empfiehlt sich eine Thermolyse und nicht eine Elektrolyse. Aus dem Biologieunterricht bekannte Beispiele sind Photosynthese und Zellatmung: Traubenzucker + Sauerstoff Zellatmung, exotherm Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie Photosynthese, endotherm Aktivierungsenergie E A als Energie, die zugeführt werden muss; Energiediagramme mit Bezeichnung der x-achse als Reaktionskoordinate oder Reaktionsverlauf (Reaktionszeit ist nicht korrekt, da kein zeitlicher Bezug gegeben ist.) Katalysator: senkt E A und beschleunigt dadurch die Reaktion, geht unverändert aus der Reaktion hervor und ändert nichts an der Reaktionsenergie; Erwähnung des Begriffs Enzym als Biokatalysator; Mechanismus und Differenzierung homogen/heterogen nicht nötig Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Erstellen und Auswerten von Energiediagrammen (Kommunikation)

8 Vorschläge für Experimente C 9.1 Stoffe und Reaktionen 6 Thermolyse von Diiodpentaoxid (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher! Kapitel 06) Elektrolyse von Wasser Entwässerung von Kupfersulfat-Pentahydrat (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) (S) Zersetzen einer Wasserstoffperoxid-Lösung mit Katalysatorperlen, Braunsteintabletten oder Hefe; Glimmspanprobe (S) Zersetzen einer Wasserstoffperoxid-Lösung mit Eisen(III)-nitrat-Lösung (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 21) Hüpfender Schnapsbecher (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Kupferchlorid reagiert mit Zink in einer exothermen Reaktion (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) (S) Atome, Moleküle und Ionen als Bausteine der Reinstoffe Hinweis: Im Anfangsunterricht kann die Existenz und das Entstehen von Ionen nicht mit den bis jetzt behandelten Modellen erklärt werden. Deswegen wird in diesen Umsetzungshilfen auf die Einführung des Ionen-Begriffs bis zur Behandlung des Kern-Hülle- Modells verzichtet. chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen, chemische Symbol- und Formelsprache Experimente zum Massenerhaltungssatz (s. u.): scheinbare Massenänderung vs. Massenerhaltung Erklärung der experimentellen Beobachtungen zum Massenerhaltungssatz mithilfe des Atommodells von Dalton: Materie ist aus kugelförmigen Atomen aufgebaut. Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Größe. Einführung der Atomartensymbole (PSE als Übersicht aller Atomartensymbole), evtl. historischer Exkurs: Gegenüberstellung von Daltons Symbolen und den aktuellen Symbolen aus dem PSE chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen Hinweis: Die Gesetze der konstanten und multiplen Proportionen brauchen nicht thematisiert zu werden. Sie besagen nämlich nur, dass die Elemente in bestimmten chemischen Verbindungen immer im gleichen Massenverhältnis vorkommen. Ihr Begründer, Joseph- Louis Proust, hatte vermutlich keine Vorstellung vom Aufbau der Materie aus Teilchen. Deshalb sollte man direkt vom Massenerhaltungssatz zum Dalton-Atommodell übergehen. Einführung der chemischen Formelsprache an molekularen Verbindungen Hinweis: Reaktionsgleichungen mit Molekülen geben die Situation auf der Teilchenebene 1:1 wieder:

9 C 9.1 Stoffe und Reaktionen 7 Bei Salzbildungsreaktionen erzeugt die Reaktionsgleichung ohne genaue Kenntnisse über Ionen, Ionenbindung und Ionengitter bei den Schülerinnen und Schülern die Fehlvorstellung Salzmoleküle : 2 Na + Cl 2 2 NaCl + Die Darstellung auf der Teilchenebene lässt sich nur im Verhältnis stöchiometrisch wiedergeben. Diese Schwierigkeiten lassen sich umgehen, wenn Reaktionsgleichungen an Molekülreaktionen eingeübt werden. Die Reaktionsgleichungen mit Salzen/Ionen können nach dem Atombau beim Thema Salze behandelt werden. Unterscheidung der Stoff- und Teilchen-Ebene: - H 2 O heißt auf Stoffebene der Stoff Wasser. - H 2 O heißt auf Teilchenebene ein Wassermolekül. Volumenverhältnisse von Gasen und der Satz von Avogadro: Erarbeitung der Zweiatomigkeit von H 2, O 2, N 2, Hal 2 : Gay-Lussac (1808): Die Volumenverhältnisse, in denen sich Gase an chemischen Reaktionen beteiligen, können durch kleine ganze Zahlen ausgedrückt werden. - Satz von Avogadro (1811): Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten bei gleichen Temperaturen und gleichen Drücken gleich viele Gasteilchen. Anwendung auf Wassersynthese: Schaffung eines kognitiven Konflikts 2 VT H-Atome 1 VT O-Atome 2 VT H 2 O-Teilchen (VT = Volumenanteil) Lösung: Wasserstoff und Sauerstoff liegen als zweiatomige Moleküle vor. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Bedeutung von Koeffizienten und Indices, mögliche Unterstützung durch Verwendung von kleinen, bunten, steckbaren Kunststoffklötzchen

10 C 9.1 Stoffe und Reaktionen 8 Erstellen einer Reaktionsgleichung: 1. Notieren aller Edukte und aller Produkte in Formelschreibweise mit Angabe der Phasensymbole s, l, g, aq. Zwischen Edukt(en) und Produkt(en) steht der Reaktionspfeil. CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) 2. Ausgleichen der Atombilanz durch das Einfügen von Koeffizienten. Die Indices dürfen nicht verändert werden, das würde eine Änderung des Teilchens bedeuten. CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) blau: Koeffizient, rot: Index Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils sind die gleichen Atome in gleicher Anzahl, aber in verschiedenen Gruppierungen verzeichnet. Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Experimente zur Massenerhaltung (Erkenntnisgewinnung) Stoff-Teilchen-Konzept: Darstellung chemischer Reaktionen mit Reaktionsgleichungen Hinweise auf Materialien Methodenwerkzeug zum Erlernen von Reaktionsgleichungen im Akademiebericht Nr. 395 Offene Lernformen im Chemieunterricht : Sprech- und Denkblasen: Aufstellen von Reaktionsgleichungen, S. 24f. Vorschläge für Experimente Massenänderung einer brennenden Kerze (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Massenzunahme bei der Eisenverbrennung (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06) Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher!, Kapitel 06)

11 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 9 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) Stoffverteilungsplan Lehrplan Stundenthema Kern-Hülle-Modell: Proton, Neutron, Elektron Elektronenkonfiguration, Ionisierungsenergie Valenzelektronen, Valenzstrich- Schreibweise Elementarladung von Teilchen, Abstoßung/Anziehung, Rutherfordscher Streuversuch, Aufbau des Atomkerns, Nukleonen, Isotope, A = Z + N, Symbolschreibweise für Isotope Bedeutung der Ionisierungsenergie, Energiestufen vereinfachtes Orbitalmodell, Symbolik der Valenzstrichschreibweise, Darstellung der Valenzelektronenkonfiguration für Atome 8 Ordnung der Elemente, Vorstellen alltagsrelevanter Elemente 9 und Verbindungen Einteilung der Elemente in Perioden und Gruppen (Hauptgruppen des PSE) 10 Ionisierung von Metall- und Nichtmetallatomen: Kation, Anion, Edelgaskonfiguration 11 Metallatome als Elektronendonatoren, Nichtmetallatome als Elektronenakzeptoren, Edelgasregel Kern-Hülle-Modell: Proton, Neutron, Elektron Grundlagen in den Lehrplänen der Jahrgangsstufen 5-8 NT Elektrischer Strom: Strom als Bewegung von Ladungen, einfaches Atommodell Ph 8.3 Elektrische Energie: Elementarladung Kern-Hülle-Modell: Rutherfordscher Streuversuch (kein Rosinenkuchen-Modell nach Thompson), -Teilchen als positiv geladene Heliumatome (keine Ionenschreibweise, keine Kernchemie); Elementarteilchen in einem Atom: Protonen, Neutronen, Elektronen; Größen- und Massenverhältnis Kern-Hülle Ordnungszahl Z = Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen, Neutronenzahl N, Nukleonenzahl A Symbolschreibweise A 12 Z X, z. B. 6 C A = Z + N Unterscheidung Elemente und Isotope

12 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 10 Vorschläge für Experimente Entstehung von Reibungselektrizität zwischen Papier und Folie verschiedene Anziehungskräfte (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 04) Streuversuch von Rutherford (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 04) Elektronenkonfiguration, Ionisierungsenergie Auswertung von Diagrammen, Einteilung von Elektronen nach Energiestufen aufgrund von Ionisierungsenergien Herausarbeitung folgender Effekte: a) Anstieg der Ionisierungsenergien eines Elements aufgrund der zunehmenden Ladungsdifferenz zwischen Kern und Hülle b) Zuordnung der Elektronen zu verschiedenen Energiestufen c) Beispiele: Neon E i in ev Elektronen-Nummer

13 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 11 Natrium E i in ev Elektronen-Nummer Magnesium E i in ev Elektronen-Nummer

14 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 12 Erweiterung des Kern-Hülle-Modells zum Energiestufenmodell: E E Energiestufe 3 Energiestufe 3 Energiestufe 2 Energiestufe 2 Energiestufe 1 Energiestufe 1 Abb.: Energiestufendiagramm für ein Natrium-Atom (links) und ein Magnesium-Atom (rechts) Elektronenkonfiguration: Verteilung der Elektronen auf die Energiestufen 1, 2, 3, (K, L, M, in handelsüblichen Periodensystemen) Basiskonzepte und Kompetenzorientierung Auswerten von Diagrammen (Kommunikation) Valenzelektronen, Valenzstrich-Schreibweise : vereinfachtes Orbitalmodell: - Orbital als Aufenthaltsraum für Elektronen (Kugelwolken-Modell für Orbitale) - Jede Kugelwolke fasst maximal zwei Elektronen. - Die höchste Energiestufe enthält maximal 8 Elektronen in 4 Kugelwolken (Ausnahme: Wasserstoff und Helium mit maximal 2 Elektronen). - Kugelwolken werden zunächst mit einem Elektron und dann mit einem zweiten besetzt. Hinweis: An dieser Stelle empfiehlt es sich, ein vereinfachtes Orbitalmodell (vgl. Lehrplan C 10.1; s. Anmerkung) einzuführen. Dies erleichtert den Zugang zum Verständnis der Valenzelektronenschreibweise und der Elektronenpaarbindung und wirkt gängigen Fehlvorstellungen (z. B. Elektronen kreisen um den Kern ) entgegen. Darstellung eines vereinfachten Orbital-Modells: Wasserstoff: Atomkern in der Mitte, Elektronenhülle mit einem Elektron in Energiestufe 1. Element Darstellung Beschreibung Wasserstoff Helium Atomkern in der Mitte, Elektronenhülle mit 1 Elektron in Energiestufe 1: ein einfach besetztes Orbital Elektronenhülle mit 2 Elektronen in Energiestufe 1: ein doppelt besetztes Orbital

15 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 13 Lithium 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen, Energiestufe 2 mit 1 Elektron besetzt (ein einfach besetztes Orbital) Beryllium 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen, Energiestufe 2 mit 2 Elektronen besetzt (zwei einfach besetzte Orbitale) Bor 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen, Energiestufe 2 mit 3 Elektronen besetzt (drei einfach besetzte Orbitale) Kohlenstoff 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen, Energiestufe 2 mit 4 Elektronen besetzt (vier einfach besetzte Orbitale) Stickstoff 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen, Energiestufe 2 mit 5 Elektronen besetzt, davon 1 Orbital doppelt besetzt Sauerstoff 1 Energiestufe 1 mit 2 Elektronen besetzt, Energiestufe 2 mit 6 Elektronen besetzt, davon 2 Orbital doppelt besetzt Magnesium 2 Energiestufen 1 und 2 voll besetzt, Energiestufe 3 mit 2 Elektronen in zwei einfach besetzten Orbitalen Chlor 2 Energiestufen 1 und 2 voll besetzt, Energiestufe 3 mit 7 Elektronen besetzt

16 Anmerkung: C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 14 Das in der Fachwissenschaft übliche Orbitalmodell und die damit verbundene Bindungserklärung (LCAO, HOMO vs. LUMO) erweist sich als zu komplex für den Einsatz im Unterricht. Das früher in Grund- und Leistungskursen verwendete Modell der Hybridisierung betrachtete auch nur die bindenden Molekülorbitale und vernachlässigte die antibindenden. Das einfache Elektronenwolkenmodell oder Kugelwolkenmodell verbindet die Vorstellung von Aufenthaltsräumen von Elektronen mit der VSEPR-Theorie. Im Prinzip liegt bei dem Elektronenwolkenmodell eine sp 3 -Hybridisierung vor. Jede Valenz-Energiestufe ist in 4 gleiche Kugelwolken bzw. Orbitale strukturiert, die aus Gründen der elektrostatischen Abstoßung zuerst mit einem Elektron und ab dem 5. Elektron dann doppelt besetzt werden. Somit sind maximal 8 Valenzelektronen möglich: Edelgaskonfiguration, Oktett. Der innere Aufbau der Atomhülle wird nicht betrachtet, für die chemischen Reaktionen sind die Valenzelektronen entscheidend. Valenzelektronen als Elektronen der höchsten besetzten Energiestufe, in den äußersten Orbitalen Symbolik der Valenzstrichschreibweise, Darstellung der Valenzelektronenkonfiguration für Atome: H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Folgende Aspekte sind nicht im Lehrplan verankert: Bohrsches Atommodell, Differenzierung in s-, p-, d-, f-orbitalen, Nebengruppenelemente, Kästchenschreibweise. In diesem Skript wird bewusst auf diese Inhalte verzichtet. Sie sollen im Unterricht nicht aufgegriffen werden. Hinweise auf Materialien und Literatur Hotelmanagement - ein Modell für ein Atommodell (nach H. Scheible, R. Marx in: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie 13(2002) 67, S ) Vorschläge für Experimente Flammenfärbung von Alkali- und Erdalkalimetallsalzen (S) Ordnung der Elemente im PSE, Vorstellen alltagsrelevanter Elemente und Verbindungen Anzahl der Valenzelektronen von Hauptgruppenelementen entspricht der Gruppennummer, höchste besetzte Energiestufe entspricht der Periodennummer ausschließlich phänomenologische Betrachtung der Eigenschaften einiger Gruppen (z. B. Edelgase, Alkalimetalle, Halogene): Reaktivität, Verwendung im Alltag, z. B. Xenonlicht, Neonröhre, Heliumballon, brennende Lithiumakkus, Desinfektionsmittel Chlor Vorschläge für Experimente Reaktionen von Alkalimetallen mit Wasser (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 07)

17 C 9.2 Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente (PSE) 15 Ionisierung von Metall- und Nichtmetallatomen: Kation, Anion, Edelgaskonfiguration Edelgaskonfiguration: Elektronenoktett bzw. -duplett ist erreicht. Die Edelgasregel besagt, dass Atome bei einer Veränderung der Valenzelektronenzahl in einer chemischen Reaktion Edelgaskonfiguration erreichen. Da nun geeignete Modelle bekannt sind, können Ionen als weitere Bausteine der Materie eingeführt werden: - Metallatome sind Elektronendonatoren und bilden Kationen (Teilchen mit positiver Ladung): + Na Na + e - Nichtmetallatome sind Elektronenakzeptoren und bilden Anionen (Teilchen mit negativer Ladung): Cl + e Cl - Ableitung der Ladung aus dem PSE, weitere Beispiele für die Ionisierung von Metallatomen zu Kationen (Li +, Na +, K +, Mg 2+, Al 3+ ) und Nichtmetallatomen zu Anionen (F -, Cl -, Br -, I -, O 2-, S 2- )

18 C 9.3 Chemische Bindung: Salze - Ionenbindung 16 C 9.3 Chemische Bindung: Salze - Ionenbindung Stoffverteilungsplan Lehrplan Stundenthema Synthese eines Salzes aus einem Metall und einem Nichtmetall Elektronenübergang, Aufstellen von Reaktionsgleichungen, Verhältnisformeln von Salzen, Benennung von Salzen Eigenschaften, Erklärung der Eigenschaften Kristalle und Kugelmodell, Kristallinität, Schmelztemperatur, Sprödigkeit, elektrische Leitfähigkeit von Lösungen und Schmelzen Grundlagen in den Lehrplänen der Jahrgangsstufen 5-8 NT Stoffe und Materialien Ph 8.3 Widerstände Elektronenübergänge bei der Kochsalzsynthese mit Teilgleichungen Reaktionsgleichungen für Salzbildungsreaktionen, Ionenschreibweise verwenden statt Verhältnisformel, z. B. 2 Na + Cl 2 2 Na Cl - Unterschied Molekülformel Verhältnisformel (vgl. Hinweis zu chemische Formelsprache in 9.1), weitere Verhältnisformeln von Salzen auch mit Molekül-Ionen (Nitrate, Sulfate, Carbonate, Phosphate; Valenzstrichformeln nicht nötig) Nomenklatur von Salzen, z. B. Eisen(II)-chlorid Ionenbindung als ungerichtete Anziehung zwischen Kationen und Anionen Betrachtung eines Salzkristalls auf Stoffebene und Teilchenebene: Ionengitter als Kugelmodell (keine Gittertypen, keine Kugelpackungen); Hinweis: Möglichst kein Gittermodell verwenden, da die Striche/Stäbe zwischen den Ionen leicht als Bindungen fehlinterpretiert werden. Eigenschaften von Salzen: Kristallinität, Schmelztemperatur, Sprödigkeit, elektrische Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen und Schmelzen Anstatt am Ende des Schuljahres könnte der Lehrplanpunkt C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen auch an dieser Stelle unterrichtet werden. Vorschläge für Experimente Kochsalzsynthese (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 07) Bildung von Kochsalzkristallen in der Petrischale (S) Kristallbildung (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 05) (S) Leitfähigkeit (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie? - aber sicher!, Kapitel 07) (S)

19 C 9.3 Chemische Bindung: molekular gebaute Stoffe Elektronenpaarbindung 17 C 9.3 Chemische Bindung: molekular gebaute Stoffe Elektronenpaarbindung Stoffverteilungsplan Lehrplan 1 Elektronenpaarbindung Stundenthema Elektronenwolkenmodell, Bildung der Bindung durch Überlappung von Orbitalen Valenzstrichformel Einfach- und Mehrfachbindung Aufstellen von Valenzstrichformeln Aufstellen von Valenzstrichformeln 6 Darstellung und Eigenschaften eines 7 Nichtmetalls 8 Vielfalt molekular gebauter Stoffe 9 Chlor: Darstellung und Eigenschaften Vorstellung wichtiger Vertreter aus Natur und Technik (Nährstoffe, Kunststoffe, Grundchemikalien etc.) Elektronenpaarbindung Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 Ph 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre Molekulare Stoffe sind aus Nichtmetallatomen aufgebaut. Atombindung als gerichtete Bindung zwischen zwei Nichtmetallatomen Mithilfe des Elektronenwolken-Modells kann das Entstehen von Elektronenpaarbindungen veranschaulicht werden: - Jedes mit einem Elektron besetzte Orbital (hellblau, kreisförmig) geht eine Atombindung ein und es entsteht somit ein bindendes Elektronenpaar (dunkelblau, oval). - Jedes mit zwei Elektronen besetzte Atom-Orbital ist ein nicht bindendes Elektronenpaar (dunkelblau, kugelförmig).

20 C 9.3 Chemische Bindung: molekular gebaute Stoffe Elektronenpaarbindung 18 Herleitung der "Bindigkeit" der Atomarten aus dem PSE weitere einfache Moleküle in der Valenzstrichschreibweise (z. B. CH 4, CH 2 O, C 2 H 6, C 2 H 4 ), Molekül-Ionen und Moleküle mit ungepaarten Elektronen sowie Formalladungen sind nicht nötig Einfach-, Doppel-, Dreifachbindung Üben der Regeln zur Aufstellung von Valenzstrichformeln (z. B. alle Isomere mit der Summenformel C 2 H 4 O 2 )

21 C 9.3 Chemische Bindung: molekular gebaute Stoffe Elektronenpaarbindung 19 Vorschläge für Experimente Arbeiten mit Molekülbaukästen Vielfalt molekular gebauter Stoffe, Darstellung und Eigenschaften eines Nichtmetalls Darstellung eines Nichtmetalls am Beispiel der Herstellung von Chlor durch Elektrolyse (Weltproduktion (2008): ca. 60 Mio. t) Eigenschaften von Chlor: hohe Reaktivität (Bleichmittel, Desinfektionsmittel), Giftigkeit, kein natürliches Vorkommen als Element Verwendung von Chlor: 6% 6% 27% 34% PVC Organische Chemie chlorhaltige Lösungsmittel Papierindustrie Wasseraufbereitung Sonstiges 6% 21% Chlorstammbaum: Arzneimittel "Chloralhydrat" Lösungsmittel "Chloroform" Pestizide DDT Chlor Silikone Wasserhygiene Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl Kunststoffe PVC Dichlordimethylsilan zur Herstellung Vorstellung wichtiger weiterer Vertreter molekularer Stoffe als Grundchemikalien wie z. B. Wasserstoff, Methan, Essigsäure, Wasserstoffchlorid Vorstellung einfacher Kohlenwasserstoffe

22 C 9.3 Chemische Bindung: molekular gebaute Stoffe Elektronenpaarbindung 20 Vorschläge für Experimente Herstellung von Chlor im Mikroscalemaßstab (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 08) Reaktionsverhalten von Eisen mit Chlor (z. B. nach Häusler, Rampf, "Experimente für den Chemieunterricht", Versuch 18.3) Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Chlorknallgas-Reaktion (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10)

23 C 9.3 Chemische Bindung: Metalle Metallbindung 21 C 9.3 Chemische Bindung: Metalle Metallbindung Stoffverteilungsplan Lehrplan Stundenthema 1 2 Darstellung eines Metalls aus einem Salz Vielfalt der Metalle, geschichtliche Bedeutung, Darstellung von Metallen durch Reaktion mit Kohlenstoff Eigenschaften, Erklärung der Eigenschaften Reaktionsverhalten edler und unedler Metalle Eigenschaften, Elektronengasmodell Verhalten gegenüber Sauerstoff und Reaktion mit verdünnten Säuren Darstellung eines Metalls aus einem Salz Bedeutung der Metalle in der Geschichte des Menschen; für Europa gelten folgende Zeiträume: 2,6 Mio a ca v. Chr. Steinzeit ca v.chr v.chr. Kupfersteinzeit (Kupferbeil von Ötzi 3300 v.chr.) 2200 v.chr. 800 v. Chr. Bronzezeit (Hinweis auf die Bedeutung von Legierungen) 800 v.chr. 100 v. Chr. Eisenzeit Kupferherstellung durch Reaktion von natürlichem Malachit (Cu 2 [(OH) 2 CO 3 ]) mit Holz bzw. später Holzkohle, Rösten von natürlich vorkommenden Kupfererzen führt zu Kupferoxid, Weiterreaktion des Kupferoxids: 2 CuO (s) + C (s) 2 Cu (s) + CO 2 (g) Vorschläge für Experimente Kupfersynthese im Reagenzglas (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 07) (S) Herstellung von Messing (Kupferstücke versilbern und vergolden ) (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 05) (S)

24 C 9.3 Chemische Bindung: Metalle Metallbindung 22 Eigenschaften der Metalle Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 NT Stoffe und Materialien NT Elektrischer Strom Ph 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre Beschreibung der Eigenschaften von Metallen ausgehend von Beobachtungen (z. B. Schülerübung): - metallischer Glanz - elektrische Leitfähigkeit - hohe Wärmeleitfähigkeit - Verformbarkeit Elektronengasmodell: Zusammenhalt über ungerichtete elektrostatische Wechselwirkungen zwischen positiv geladenen Atomrümpfen und negativ geladenem Elektronengas positiv geladener Atomrumpf frei bewegliches Valenzelektron = Elektronengas Erklärung der Eigenschaften durch den Bau der Metalle über das Elektronengasmodell: - Verformbarkeit: Beim Verschieben der Atomlagen entstehen keine Ladungsdifferenzen (im Unterschied zum Ionengitter), deshalb freie Verformbarkeit ohne Brüchigkeit. - elektrische Leitfähigkeit: Die Elektronen des Elektronengases sind im elektrischen Feld leicht verschiebbar.

25 C 9.3 Chemische Bindung: Metalle Metallbindung 23 Metallgitter: im Lehrplan als Additum ausgewiesen, bei Behandlung nur Betrachtung als hoch geordnete Struktur (Analogie zum Ionengitter) Vorschläge für Experimente Schülerübung zu Eigenschaften der Metalle (u. a. Wärmeleitfähigkeit der Metalle z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 07) (S) Computersimulation zur Metallbindung (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 04) Reaktionsverhalten edler und unedler Metalle Reaktionsverhalten gegenüber sauren Lösungen als Unterscheidungskriterium edles/unedles Metall, Reaktion unter Bildung von Wasserstoff; Hinweis: nur phänomenologische Betrachtung, keine Reaktionsgleichungen: - Saure Lösungen sind den Schülerinnen und Schülern auf der Teilchenebene nicht bekannt. - Redox- und Säure-Base-Konzept sind nicht bekannt. - Aufstellen von Reaktionsgleichungen kann hier zur Fehlvorstellung über "Salzmoleküle" z. B. MgCl 2 führen. Reaktion mit Sauerstoff und Vergleich der Reaktionsenergien Transfermöglichkeit anhand des obigen Diagramms: Fe O (s) 2Al(s) 2Fe(l) Al O (s) aber Fe O (s) Cu(s) 2 3 Vorschläge für Experimente Einblasen von Kupfer-, Eisen- und Magnesiumstaub in die Brennerflamme Reaktionsverhalten verschiedener Metalle mit verdünnter Salzsäure (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 13) (S)

26 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen 24 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen Es bietet sich an, diesen Lehrplanabschnitt im Anschluss an C 9.3 Chemische Bindung: Salze Ionenbindung zu behandeln und nicht am Schuljahresende. Für die Vorstellung von Salzkristallen ist die Avogadro-Zahl eine Hilfe. Stoffverteilungsplan Lehrplan 1 Atommasse und atomare Masseneinheit, Stoffmenge, Avogadro-Konstante, 2 molare Masse, molares Volumen Stundenthema Atommasse und atomare Masseneinheit, Molekülmasse, Stoffmenge und Teilchenzahl, molare Größen einfache Berechnungen unter Verwendung von Größengleichungen; Beispiele mit Bezug zur Lebenswelt Beispiele Atommasse und atomare Masseneinheit Bezugnahme auf das Dalton-Atommodell: Jedes Atom besitzt eine bestimmte, vom Element abhängige Atommasse (Unterschied nur in den Isotopenmassen). Beispiel: m (1 Atom Wasserstoff) = m a (H) = 1, g m a (Fe) = 93, g m a (U) = 395, g 1962 erfolgte die Festlegung eines Bezugspunkts über die atomare Masseneinheit u: 1 m a ( 12 C) = 12,000 u 1 u = 1, kg u m a( C) Molekülmassen ergeben sich aus den Summen der Atommassen. Möglichkeit der Übung mit dem PSE (z. B. auch online über Vorschläge für Experimente Arbeiten mit online-pse auf

27 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen 25 Stoffmenge, Avogadro-Konstante Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 M 7.3 Terme und Gleichungen Avogadro-Konstante N A = 6,022 x mol -1 Die Basiseinheit 1 mol der Stoffmenge n ist definiert als die Anzahl der Teilchen, die genau der Anzahl der Atome in 12 g 12 6 C entspricht. Die Masse einer Stoffportion mit der Stoffmenge n = 1 mol entspricht dem Zahlenwert der atomaren Masse des Teilchens in Gramm. g n(h ) 1,0mol m(h ) n(h ) M(H ) 1,0mol 2,0 2,0g mol g n(fe) 1,0mol m(fe) n(fe) M(Fe) 1,0mol 55,85 55,85g mol molare Masse, molares Volumen Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 M 7.3 Terme und Gleichungen Vorstellung der verschiedenen molaren Größen: N( X ) N A N A = 6,022x10 23 Teilchen/mol n( X ) N(X) Teilchenzahl m( X ) M ( X ) M(X) molare Masse in g/mol n( X ) V ( X ) V m V mn = 22,4 l/mol n( X ) molares Volumen bei Normbedingungen (1013 hpa, 0 C) keine Berechnungen mithilfe des allgemeinen Gasgesetzes, da aus der Physik nicht bekannt Vorschläge für Experimente Explosion von Feuerzeuggas in der Chipsdose (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) (S) Eudiometerversuch zur Wassersynthese (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) Kupferoxidsynthese quantitativ (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) (S) Kupfer(I)-sulfidsynthese quantitativ (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) (S)

28 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen 26 Ermittlung der molaren Masse über die Gasdichte (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) Bestimmung des molaren Volumens von Wasserstoff (z. B. nach Akademiebericht Nr. 475 Chemie aber sicher, Kapitel 10) (S) einfache Berechnungen unter Verwendung von Größengleichungen Grundlagen in den Lehrplänen der Jgst. 5-8 M 7.3 Terme und Gleichungen Verwendung von Größengleichungen, kein Dreisatz Beispiel: Weg Auftrag Berechnung 1. Schritt Was ist gegeben? Was ist gesucht? 2. Schritt Aufstellen der Reaktionsgleichung 3. Schritt Aufstellen des Stoffmengenverhältnisses geg.: m(fes) = 176 g ges.: m(fe) Fe (s) + S (s) FeS (s) n(fe) 1 n(fes) 1 n(fe)=n(fes) m(fes) m(fe) M(Fe) n(fe) M(Fe) n(fes) M(Fe) 5 M(FeS) 4. Schritt: Berechnung m(fes) g 176 g m(fe) M(Fe) n(fe) M(Fe) n(fes) M(Fe) 56 mol 112 g M(FeS) 88 g mol 5. Schritt: Antwortsatz Aus 176 g Eisensulfid lassen sich 112 g Eisen herstellen. Anschließend können Schritt für Schritt einzelne Parameter geändert werden: Stoffmengenverhältnis nicht 1:1, Berechnung von Massen aus Volumina und umgekehrt usw. Bezug zur Lebenswelt z. B. über Benzin-Verbrauchsberechnungen oder Stoffumsatz bei der Photosynthese: Beispielaufgabe: Berechne die Masse an Kohlenstoffdioxid (m(co 2 )), die pro gefahrenen Kilometer mit einem Auto, das einen Benzinverbrauch von 6 l/100 km hat, freigesetzt wird. ( (Benzin) = 0,75 kg/l, Summenformel Benzin C 7 H 16 ) geg.: Benzinverbrauch: 6 l/100 km ges.: m(co 2 ) Reaktionsgleichung: 2 C 7 H 16 (l) + 22 O 2 (g) 14 CO 2 (g) + 16 H 2 O (g)

29 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen 27

30 C 9.4 Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen 28 Stoffmengenverhältnis: n(c 7H 16) 2 1 n(co 2) 7 n(c 7H 16) n(co ) Verbrauch pro gefahrenen Kilometer: 0,06 l m(c H ) (Benzin) V(Benzin) 0,75 0,06l 45 g 7 16 g g g 7 16 mol mol mol M(C H ) n(c H ) m(c H ) g M(C 7 H 16 ) 100 mol g kg l 0,45mol n(co ) 7 n(c H ) 7 0,45mol 3,15mol m(co ) n(co ) M(CO ) 3,15mol g g mol Der Kohlenstoffdioxid-Ausstoß entspricht 139 g/km.

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